工业机器人技术与产业发展的春天

文/本刊记者 樊创佳/

“如果我要生产不同的产品，这种机器人能不能按照既定的规格参数属性进行设定呢？”6月26日下午，在北京展览馆举办的北京国际工业智能及自动化展会上，一名参展人员饶有兴趣地向参展商询问出展机器人的产品功能。此次展会时间历时三天，覆盖北京展览馆7个展馆，展出面积超2万平方米，规模创历史新高，迎来了近200家行业领先企业以及15000名专业观众。

在类型众多的智能制造技术产品展馆中，2号馆集中展示各种规格的六轴机器人、码垛机器人、焊接机器人、搬运机器人以及视觉、传感、3D成像、RFID等应用于机器人的产品和技术。唐山松下、史陶比尔、广州数控等领先企业向人们展示各具用途的机器人现场运行情况，吸引了众多包括商企人员在内的观众驻足。在同期举办的与机器人自动化相关的高规格论坛上，大批优秀的自动化企业与行业专家一起深入探讨国内外机器人新产品及智能化生产与应用解决方案。

据统计，2012年中国市场已有7.5万台工业机器人在服役，占全球总量的7%左右，2004年以来，中国工业机器人市场开始启动，国内需求强劲，新安装量年均增长率高达40%，有专家估计预计到2022年，中国工业机器人保有量将达到170万台。

不难想象，机器人是继汽车、飞机、火车、计算机之后进入家庭、企业的一种必备方略和必备系统，这是根本，也是最普通的必备技术。同时，这更是一项任重而道远的产业技术。

机器人的需求是刚性和持续的。在这样一个即将到来的新时代，我国机器人产业也充满了无限的挑战与机遇，我们期望未来从互联网到机器人实现 “厂厂都有机器人，家家都有机器人”的产业模式。

机器人产业发展的关键核心动力

机器人是嵌入式的智能机构和感知控制技术。据联合国国际机器人联合会IFR数据统计，截止2011年，世界专业服务机器人与家用机器人分别稳步增长30～20%，直接产值约45～50亿美元，约250～300万台套数。

机器人产业发展核心动力是决定机器人在中国发展的最关键要素。人工费、工作环境、可靠性品质成为决定机器人发展的三大关键要素。表现在人工成本逐年提高，老龄化社会加剧形成，一线产业工人减少趋势不可逆转，社会服务成本越来越高，机器人自动化设备逐步增加；国际制造环境竞争日益激烈，客户定制、柔性制造、成本效率、全球资源整合成为核心要素；在军事空间、精细外科、危险作业中，机器人具有不可替代性。

近年来，国内外越来越重视机器人技术与产业的发展，作为战略高技术，无论在推动国防军事、智能制造、资源开发，还是在培育发展未来服务机器人产业上都具有重要意义。

实际上，工业机器人的制造及应用水平代表了一个国家的制造水平。我国制造业自动化率很低（汽车业15%），国际90%；机器人使用密度50（英）～350台（日、韩）/万工人，中国不到国际发达水平的十分之一，世界平均水平的二分之一，因此未来发展潜力很大。随着劳动力成本增加和国际制造环境的发展变化，特别是在互联网软件设计交流和发布上，也给机器人产业带来了巨大的发展动力。

目前，世界机器人产业格局为欧洲、日本牢牢占据着工业机器人天下，ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA四大家族占据着工业机器人60～80%市场，累积技术达四五十种 ；美国机器人技术创新活跃，军用、医疗与家政服务机器人产业占有绝对优势，占有服务机器人市场60%； 中国工业机器人需求增长迅猛25～30%，年需求量2～3万台套，机器人产业化刚刚开始，还没有高影响力的大企业，沿海需求高于内地需求，民企需求高于国企需求，各地政府及企业都想要大力发展机器人产业，而这将会是一个很大的挑战。

发展起步的中国工业机器人模式

纵观世界工业机器人产业，可归纳为日本模式、欧洲模式和美国模式三种不同的发展模式。

日本模式是产业链分工发展，机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标，并由其子公司或社会上的集成工程公司来设计制造各行业所需要的机器人系统。欧洲模式相当于交钥匙工程，就是机器人的生产和用户所需要的系统设计制造，全部由机器人制造商自己完成。

美国模式则是集成应用。通过采购与成套设计相结合，美国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套的外围设备。

中国模式是未知的，应在起步时从美国式着手，成熟中向日本式靠近，才能发挥中国人制造大国和巨大市场的优势。

不难发现，工业机器人确确实实需要在信息、通讯方面把工艺集成，才能发挥作用。如果没有信息软件通讯，没有工业环境的有序工装 ，机器人是很难发挥作用的。美国在机器人技术方面，一直投入大量资金去研究新的材料结构、新的感知控制技术，以及一些新的智能技术。

阻碍中国机器人产业发展的难点

如果把机器人理解成一个工业基础装备，一个智能装备，像数控、机床这样的装备，那么它在宏观上属于高端制造业，而且与中国工业基础能力有直接关系，需要长期投资与培育，包括系统集成、整机制造、零部件配套以及嵌入式智能控制等。目前从技术和市场规模看，我国工业机器人产品与国外相差约10年，以下将逐一分析中国机器人产业发展面临的几大难点。

难点一，规模化市场应用是前提。现阶段，工业规模化市场的应用是工业机型发展的前提。工业机器人只是一个平台工具，它赋予不同的工艺、不同的变位、不同的生产线来展示。工艺的规模和应用很重要，因此要特别注重作为科技能源的工艺成本和零部件。工程应用工艺必须优先，100台套起步，500台套持平，1000台套盈利。行业领域方向选择也至关重要，希望大力发展本土化的中国机器人应用集成商，将焊接、搬运、装配、周边自动化工装、自动化生产线、操作对象紧密结合起来。

难点二，主机成本与可靠性是核心。主要涉及到材料、设计、采购、加工、装配、检测、老化试验、技术维护等，产业链长，投入大，需要长期发展才能在业内形成客户信赖的品牌。因为在企业领域的机器人往往是与生产线、批量有关，如果这个机器人稍微出一点故障，将对企业全年的生产产生极大影响。

因此，产业机器人不仅要求成本，更要具备高可靠性，它自动化智能化的效益是通过高可靠性体现的。而机器人的可靠性主要是材料、设计、部件、制造、工艺处理、老化调试和使用习惯。目前国产机器人最容易出故障的是高速转动结构件的精度、接口插件、经常操作按钮开关、元器件故障灯、制造故障（虚焊，加工精度没有达到设计要求等）。

据了解，国外机器人平均无故障时间MTBF达到5万小时，单台8年；国产机器人平均无故障时间MTBF为8000h。因此可以采用单台或者是少机器人组成的生产线来满足可靠性要求。另外，世界机器人品牌使用比重2011年数据显示：KUKA是13.5%，ABB 是14.2%，YASKAWA 是14.1%，FANUC是18%，其他机器人产商占40.2%。

关于工业机器人不同领域的人工成本问题对比：

汽车领域：点焊与弧焊，国内165Kg/6～8Kg，20/8万，国外40/15万；

机械加工：上下料搬运，20Kg，国内12万，国外20万，抛光加工大件/小件，20/10万，国外60/20万；

物流搬运，200Kg，国内20万，国外40万，电子装配。

通过对比 ，意味着中国机器人在成本上应该走高品质低利润道路，因为国外工业机器人已发展四十年，国内只有走在这个范围内才有竞争力。

难点三，核心零部件是关键。核心零部件是指构成机器人传动系统、控制系统和人机交互系统，对机器人性能起到关键影响作用，并具有通用性和模块化的部件单元，分为高精度机器人减速机、高性能交直流伺服电机和驱动器、高性能机器人控制器。其中电机和减速器是关键。

难点四，是认准技术与商务创新这条出路。发展品牌，体现效益价值，使得产品可靠。这就要提高新材料的负载与自重比，仿生灵巧手操作，自主导航的移动定位，补偿视觉误差，降低精密制造成本，提高无需编程的人机交互功能和可变刚度柔性关节控制，实现租赁机器人的商业模式创新。

日趋重要的机器人技术

工业机器人是最典型的制造基础设备，也是最有代表性的智能装备，并且机器人具有双重性，设备投资属性，产品实用性；产业形态与就业关系，一般低端产业层次少，机器人产业链长层次多，用户使用、承包商、租赁商、系统设计、主机商、零部件、维护服务、培训教育、研究中心，就业商务服务、集成实施、产品服务、技术开发等高端转换；智能机器人技术扩散延伸，正在嵌入相关制造装备、工程机械、物流搬运、电子装备、食品机械等，也正在交叉融合信息、材料、医疗技术，形成新形态产品，如智能吸尘器、智能洗衣机、智能护理床等。

与此同时，随着硬件成本不断下降，硬件设计越来越成熟，软件在工业自动化的重要性日趋突出。成套应用工艺设计、用户使用方便与示教、改变不同功能用途以及可靠性水平成为开发重点。

在机器人系统中，软件开发成本越来越高。在工业机器人领域中 ，软件设计必须工程化，在设计、仿真、调试、试用、阶段以及维护阶段全面实施。

不可否认，无论是软件还是硬件，机器人技术有潜力改变国家的未来，并且有望在未来几十年里像今天的计算机一样无处不在。相比通过底薪外包给其他国家，通过在柔性制造中采用机器人，将生产更具成本优势的产品。然而，采用机器人技术的一个关键因素是人口老龄化，导致老龄化的劳动力，同时也带来了在医疗保健方面一系列的挑战。

我们知道，机器人技术已经足够先进可以在工作中增强人类的力量。它可以作为人类的同事，从事于肮脏、枯燥和危险任务，能够提供佣人服务来提高广大人民生活质量。此外，机器人已经在减少直接危险环境下现场急救员和士兵方面证明了它的价值。机器人技术提供了一个独特的投资机会，短期内能够提供新的工作机会，提高生产力，将提高工人的安全，这将促进就业的增加，长此以往，也将会为生活质量的提高以及老龄化社会做出保障。

因此我国的机器人发展蓝图对每一个领域都定义了近期和长期发展计划，为机器人产业发展关键性技术以及相关基础技术确立5年、10年、15年发展目标。

虽然一些关键功能和基础技术应用在特定领域，但是系统上这些关键点将是通用的，如三维感知、规划和导航、仿人灵巧手、人机交互以及安全机器人行为。

在国家战略中发展关键技术

不仅在制造业方面，美国服务机器人发展也很迅速，已被应用在各个方面。在专业以及家政服务应用上，超过600万自动真空吸尘器已经被购买，超过20万的自动割草机在世界范围内使用。在人身安全方面，专业服务包括电厂检查以及桥梁等的基础检查。服务机器人也可以用于分拣应用，如分拣床上用品、餐品以及医院的药物等。

在5年的时间达到了40亿美元，其中专业的服务机器人的年增长率是30%，家政、教育、娱乐方面的机器人增长率是20%。美国公司已经占据了这个行业，很有可能继续保持这个势头。

制造业和服务机器人在国外的发展应用

国际上，制造业占了14%的GDP以及11%就业总人数，接近70%来自美国的进出口和制造业有关。

在过去的40年中，机器人应用方面取得了巨大的进步，特别是在汽车行业。近来，电子行业已经成为主导行业。

在一些公司，机器人生产系统已经被用来作为生产制造的促进者，如苹果、联想等等。机器人的应用正从一些大公司如通用、福特、波音等到中小型企业过渡，使得一次性产品的制造呈现爆发状态。在这方面的持续进步依赖于该地区的集成设计，从设计到制造的集成，网络物理系统集成的新方法以及计算机制造业的提高。最后，还需要培训年轻人进入制造业，并提供一个清晰的职业路径规划。

无论国家和企业都应该树立国家的科技战略和价值观，一旦树立起来，要做品牌的信誉和尊严，要做引领；发展有市场竞争的龙头实体企业，扶持中小型企业，形成有序的产业链（系统集成商、主机、零部件），在很大程度上考虑本土企业的市场空间，增加可持续高附加值，保护战略产业与装备本土企业的市场空间，不能简单的引资。要按照当前机器人发展的重点方向去走，如工业制造、特种环境、服务劳动化、家庭教育等。

在我国，清华大学、天津大学、北航、哈工大等对工业机器人装备和设计平台开展了相关研究，发现存在模块不完善、互操作性和自动化程度较弱等问题。由于我国工业机器人面临设计能力缺乏、关键零部件、系统可靠性和成本等问题，一直没有形成具有一定规模的产业。不仅设计基本依靠国外相关开发平台，在维护、更新、改造方面对国外的依赖也相当严重。因此，应该继续建立我国自主知识产权的工业机器人设计开发平台，有效地降低工业机器人设计门槛，并进一步弥补传统工业机器人设计方法不足。

同时，针对工业机器人高速、重载、轻量化、低成本的发展趋势和我国的实际需求，加强机器人正向设计方法基础理论与关键技术研究；建立工业机器人关键部件、整机性能测试平台与数据库；在现有基础上，完善和丰富机器人构型库、部件特性库和材料库、开发接近真实环境的仿真与设计平台；探索设计平台开发商、应用程序开发商和用户多方共赢的市场化开发商业模式；推广国产机器人设计平台的应用，降低工业机器人设计门槛，弥补传统工业机器人设计方法不足，促进工业机器人的产业化进程。

更重要的是，工业发展一定要规模化、服务化、嵌入化，推动智能制造装备技术发展。大力突破新材料本体、自主导航、灵巧手操作等技术，发展经济型和智能嵌入服务等产业化任务的服务机器人。

在我国，开展了机器人辅助外科手术临床应用。 医疗外科机器人在北京海军总医院、北京积水潭医院、北京解放军301医院等临床应用5000例以上，并获得了医疗许可证、北京市医保等；工程车辆物联网服务监控器3万台套，提供车辆租赁、定位、油耗、故障诊断、工作工况等增值服务；工业机器人控制系统，在奇瑞通过了15台套30天×24小时可靠性测试，并且电焊机器人控制器在奇瑞车间2台套应用；另外搬运、弧焊机器人控制器等也都通过了测试并得到了应用。

如今，新材料、微电子、通信、人工智能等学科的突飞猛进，为机器人的高度智能化奠定了基础。机器人正在逐步走向产业化，这是一个拐点，是历史机遇，得到了越来越多的投资关注。而这个技术和原始创新又是我们掌握主动权的最关键。我们要抓住关键要素和机遇，理性发展，为中国走向制造大国提供强有力的推进，要以国家技术创新为牵引，在推动支持产业企业结构调整中，与广大企业和科技领域一起努力，期待中国机器人技术和产业发展的春天。